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1、 超越离合器辅助换挡变速器的换挡控制研究 李罡 黄向东 杨勇 赵克刚摘 要：提出一种仅用一个摩擦离合器实现无动力中断换挡的新型自动变速器超越离合器辅助换挡自动变速器.该变速器采用摩擦离合器与超越离合器交替传递动力的方式实现连续换挡.为研究该自动变速器的换挡平顺性问题，搭建了两个挡位的6自由度变速器动力学模型，提出了换挡过程中离合器和动力源的协调控制策略，开展了仿真和台架试验研究.结果表明：所提升挡和降挡控制策略能有效降低换挡冲击，使得换挡时的冲击度保持在10 ms-3以内.关键词：离合器；辅助换挡；无动力中断；自动变速器；换挡特性：U463.212 文献标志码：AAbstract： A nov
2、el type of automatic transmission named Overrunning Clutch Shiftassistant Transmission （OCT） was designed in the paper， which realized the shifts by the alternative work of friction clutch and Overrunning Clutch. Dynamic model of a 2speed OCT was built to discuss the driveline vibration during shift
3、s. Control strategy of the friction clutch and power source was presented in this paper， which was also verified by both simulation and test results. The results also show that the control strategy can make both upshift and downshift smooth， and jerk of the shifts is below 10 ms-3.Key words：clutches
4、； shiftassistant； traction uninterruption； automatic transmission； shift characteristic實践证明，变速器在换挡时不产生动力中断是提高整车动力性及舒适性的重要手段.有级式自动变速器实现无动力中断换挡有以下方式：1）两个摩擦离合器交替工作.AT与DCT均采用这种换挡方式，其中DCT换挡过程中采用了预挂挡控制1-2.研究表明，这种换挡方式对两个离合器的配合及同步器的控制提出了较高要求，控制不当可能产生功率循环或换挡冲击等问题3-5.2）两个超越离合器交替工作.英国Zeroshift公司的AMT改进方案6-7、黄向东
5、等人8提出的UST方案均采用了这种换挡方式.研究表明9，这种换挡方式虽然换挡更为直接，但需主离合器传递转矩下降较多才能有效避免换挡冲击.3）摩擦离合器与超越离合器交替工作.这种换挡方式最早应用在AT中，2011年，Aldo等人10提出了采用这种换挡方式的电动车用两挡变速器方案，该变速器能够实现挡位迅速且无动力中断的切换，换挡冲击亦能够控制在合理范围内.但由于结构原因，该方案并不具备向多挡位变速器扩展的可能.4）AMT增加动力补偿装置.Yamasaki等11在AMT输入轴末端增设转矩辅助装置，但该装置增加了变速器结构和控制的复杂程度，从经济效益的角度考虑，这种方案并不是一种合适的技术.本文提出了
6、一种采用摩擦离合器与超越离合器交替工作的自动变速器方案，具有多挡位、有级式、无动力中断换挡的特点.文中阐述了该类型变速器的工作原理，构建了整车动力学模型，分析了该类变速器的换挡机理，并进行了仿真及台架试验研究.1 工作原理超越离合器辅助换挡自动变速器（Overrunning Clutch Shiftassistant Transmission，OCT）利用超越离合器的自动分离与接合特性，实现动力换挡.OCT采用超越离合器与摩擦离合器并联的布置方式，将来自发动机的动力分为几个支路，通过不同动力支路间的切换完成换挡.OCT具有多种拓扑结构，其中一种简单的形式包含一个超越离合器（Overrunnin
7、g Clutch， ORC）和一个湿式离合器（Wetfriction Clutch， WFC）.动力由两个支路分别或共同传递到输出轴，如图1所示.图1中，湿式离合器与动盘连接的轴称为主动力输入轴（WFC轴），其上布置5个前进挡及一个倒挡的主动齿轮.超越离合器内圈所连接的轴称为辅助换挡输入轴（ORC轴），其上布置4个前进挡的主动齿轮.设计时，保证1、2、3、4四个主动齿轮与1、2、3、4四个主动齿轮齿数对应相同，即保证辅助换挡支路的各挡速比与主动力支路的各挡速比对应相等.OCT的工作原理以N1232N的工作过程说明.1）起步工况.OCT起步与手动变速器类似，起步时，1挡同步器先接合，利用湿式离合
8、器接合过程的滑动摩擦，实现汽车起步.2）12升挡工况.OCT换挡过程需首先进行换挡准备操作，其中包含1到1挡切换及2挡预挂挡两个步骤.接合1挡同步器，之后分离WFC，即实现1到1挡的动力切换.由于1挡速比与1挡速比相等，且在接合1挡同步器时可伴随WFC滑摩，所以动力由1挡切换至1挡易实现.2挡预挂挡需完成的操作为接合2挡同步器.完成以上换挡准备工作后，缓慢接合WFC，此时OCT进入升挡工作过程，如图2所示.升挡过程中，动力由1挡和2挡两个支路共同传递，由于两个挡位的主动齿轮与输出轴对应齿轮均为同向啮合，因此1挡和2挡两个支路传递的动力互为正向推力.随着WFC接合程度加强，2挡支路传递的动力会不
9、断增加，当WFC接合到一定程度时，1挡所受正向作用力导致ORC内圈转速超过外圈转速，ORC将进入超越工况，1挡终止传输动力，动力仅由2挡传递，挡位切换完成.待动力全部由2挡传递后，分离1挡同步器，升挡过程结束.3）23升挡工况.与12升挡工作原理相同，2挡升3挡将同样经历换挡准备、换挡两个阶段，由此说明OCT具有连续升挡的功能.4）32降挡工况.OCT降挡操作与升挡相反，即首先完成3到2挡的动力切换，然后再进行2至2挡的动力切换.具体操作为：在3挡工作时接合2挡同步器，之后缓慢分离WFC，逐渐降低输出轴转速.当WFC分离到一定程度后，ORC进入锁止工况，2挡开始参与动力传递.继续分离WFC，直
10、至其完全分离，挡位切换到2挡.2挡至2挡的动力切换过程易实现，在此不赘述.5）空挡及停车工况.OCT挂空挡及停车的工作过程与MT相类似.如当前挡位为2挡，此时迅速分离WFC，之后退出2挡同步器，即完成了挂空挡的操作.根据以上陈述，OCT能够实现汽车变速器的全部功能，且在换挡时不产生动力中断.2 动力学模型针对OCT传动系统特点，忽略变速器内部的阻尼及齿轮啮合刚度的影响，建立一个6自由度的两挡传动系动力学模型，如图3所示.2.1 升挡阶段动力学模型2.1.1 换挡准备阶段如第1节所述，换挡准备阶段需进行1挡到1挡切换及2挡预挂挡两个操作.其中，1挡到1挡切换操作结束后，将迅速分离WFC.此时，系
11、统动力仅由ORC轴传递，即当前挡位为1挡，传动系统动力学方程为：3 OCT换挡过程的仿真及试验3.1 换挡过程的控制策略OCT升挡将经历换挡准备、湿式离合器充油、低挡同步器脱开等变速器控制阶段，同时配合发动机转矩控制.OCT降挡将经历换挡准备、湿式离合器泄压、高挡同步器脱开等变速器控制阶段，同时配合发动机转速控制.图4为OCT换挡控制策略.由图4可看出，换挡过程中，重点在于超越离合器分离点及接合点附近对湿式离合器及发动机的联合控制，需要形成闭环反馈.3.2 湿式离合器油压控制规律图5中，P1为预充油阶段达到的最大压力，预充油结束于t2时刻.t2至t3阶段内，油压从P1回调至P2，这是由于在这个
12、阶段的末尾（即t3时刻），湿式离合器驱动活塞将与离合器钢片相接触，降低接合速度有助于减小两个元件接触时的冲击.从活塞推动钢片时刻开始，湿式离合器将经历粘性转矩到粗糙转矩的过渡阶段.这个阶段中湿式离合器传递转矩的斜率将发生变化，为避免传动系产生冲击，t3至t4时间段内，离合器控制油压应缓慢增大.当湿式离合器进入粗糙转矩传递阶段后，油压的斜率增大，离合器快速接合，直至完全接合后，离合器油压不再增大，保持为P4压力.湿式离合器分离过程中，泄压分为四个阶段，分别为静摩擦泄压、滑动摩擦泄压、油压回调和快速泄压，如图6所示.图6中，P4为湿式离合器保压压力（与充油过程相同），当降挡指令发出后，湿式离合器开
13、始泄压，油压从t1时刻开始下降.在t1至t2时间段内，湿式离合器处于完全接合状态，摩擦片与钢片之间的摩擦力为静摩擦力，以较大斜率减小离合器的压力，会迅速降低静摩擦力，使离合器尽快进入滑摩状态.当油压下降至P5后，离合器开始进入滑动摩擦阶段，在摩擦力静动转化过程中，由于传递转矩受离合器摩擦力影响会产生波动，因此在t2至t3阶段，改变油压降低的斜率，以降低此时的传动系转矩冲击.随着湿式离合器分离程度加大，其传递转矩会进一步降低，此时超越离合器即将开始接合.由第4章研究结论可知，如果此时湿式离合器分离过快，会使得超越离合器内外圈转速差过大，导致超越离合器接合时转矩差的变化斜率过大，进而导致换挡冲击变
14、大.因此t3至t4段内，油压需回调，确保超越离合器接合时的转速差较小.t4之后，快速泄压至湿式离合器完全分离.4 仿真研究对图3所示的动力学模型进行仿真研究，搭建传动系统动力学仿真模型，其中所采用的主要参数如表2所示.图7所示为1挡至2挡升挡过程的仿真结果.图7中，OCT换挡开始于3 s，此时湿式离合器分离，变速器工作于1挡.4 s时湿式离合器开始接合，此时2挡同步器已接合，变速器进入换挡转矩相.OCT换挡结束于5 s，此时输出轴转矩波动结束，1挡同步器退出接合.圖7和图8中，同步器状态0代表同步器未接合，1代表同步器接合.图7中包含了湿式离合器接合与超越离合器自动分离的工作过程.仿真中，对湿
15、式离合器油压采用了恒定变化率的控制方式，WFC转矩变化为先增大，至过冲最大值，再减小，振荡后达到稳定.研究发现，转矩过冲量大小取决于系统固有特性及WFC传递转矩的限定值，其中，WFC转矩的限定值越小，转矩过冲就越小，为使传动系转矩波动尽可能小，需要减小湿式离合器的最大转矩值，但从实际情况出发，湿式离合器又需要具有一定的转矩储备系数.因此，对输入转矩的分析又可作为设计湿式离合器结构参数的一种方法.文中设计的离合器摩擦片内径为145 mm，外径为171 mm，共5片.图7中也包含了对发动机转矩的控制，为保证换挡品质，发动机在4.3 s时开始降低转矩（惯性相开始），以适应换挡过程中的转矩变化.图7中
16、超越离合器在分离后（4.3 s）转速会继续上升，至1挡同步器脱开时（5 s），其转速又会迅速下降.在ORC轴转速上升过程中，其内外圈转速差不断增大，图中可以看到5 s时内外圈转速差为2 287 r/min，由此可以看到，为降低超越离合器的内外圈转速差，在其自动超越后，需要尽快脱开低挡同步器.图7显示，换挡时OCT输出转矩呈先下降，后过冲，再振荡稳定的特点，转矩下降过程较短（0.2 s），转矩值下降不大（400 Nm），这是由超越离合器自动分离迅速所决定的.2挡至1挡降挡过程的仿真结果如图8所示.与升挡过程相类似，图8中包含了各主要控制信号及输入、输出的转速和转矩变化曲线.图8中，OCT换挡开始于10.3 s，此时湿式离合器油压开始降低，变速器仍工作在2挡.随
